基于單片機的智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

劉剛信

（青島海信空調(diào)營銷股份有限公司濟南分公司 山東省青島市 266000）

隨著計算機制造技術(shù)的發(fā)展，單片機由此誕生，作為計算機硬件發(fā)展的一個重要分支，單片機在單個芯片上集成了多個組件，使其成為具有獨特功能的計算機。文章重點研究了單片機在智能控制家電中的實踐應(yīng)用，以STC89C52 單片機為核心，設(shè)計出一款新型的智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)，利用手機通過控制模塊向單片機發(fā)送指令，以此來達到家電設(shè)備智能控制的目的。在智能控制系統(tǒng)實際運行中，僅需要在電源出接入系統(tǒng)，就能夠控制開關(guān)，操作較為簡捷，在高端住宅場合得到了較為廣泛的推廣和應(yīng)用，并取得了一致好評。

1 單片機概述

1.1 單片機原理

單片機是一個微型計算機系統(tǒng)，除了基礎(chǔ)性的計算機功能，單片機的體積較小、重量較輕，并且具有較強的抗干擾能力和可靠性，對環(huán)境的要求較低，在工業(yè)自動化、消費電子、武器裝備、計算機終端外設(shè)以及智能儀器儀表中得到了較為廣泛的應(yīng)用。我國最早使用的是MCS-51 系列，之后陸續(xù)出現(xiàn)了衍生機型，主要是以AT89C5x 為主，在市場中占據(jù)較大的分割，與初期的8051 內(nèi)核技術(shù)相比，AT89C5x 在完全兼容的基礎(chǔ)上將閃存功能增添其中，取代了初期的內(nèi)核技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)有市場中逐漸出現(xiàn)AVR 和PIC系列，在本文的研究中主要是基于STC89C52 單片機進行介紹。

1.2 單片機分類

一般來說，單片機可以分為通用類或?qū)Ｓ妙?、工業(yè)類或家電類以及總線類或非總線類。首先是通用類和專用性，即是按照單片機的使用范圍進行劃分，比如說80C51 是較為典型的通用類單片機，應(yīng)用廣泛，通用性較強，不是圍繞特定的目的進行設(shè)計，專用類單片機則具備一定的專一性，主要應(yīng)用于某一類或某一種產(chǎn)品。其次是工業(yè)類和家電類，即是按照單片機的應(yīng)用領(lǐng)域進行分類，工業(yè)控制類的單片機其計算能力較強，具有較大的尋址范圍。相對于工業(yè)類，家電類單片機多是專用型，體積較小，價格較低，外圍設(shè)備和接口具有高集成度。最后是總線類和非總線類，即是按照是否提供并線進行劃分，顧名思義，總線類單片機是指配備有并行的總線，一般適用于擴展和并行外設(shè)中，僅利用串口就能夠連接到單片機。與總線類單片機相比，非總線類單片機所需要的設(shè)備接口主要集中在一個芯片當中，不需要并行總線，因此整體的成本較低，芯片較小。

1.3 無線通信技術(shù)

無線通信的主要目的是信息交換，也是電路控制主板和控制終端互聯(lián)的基礎(chǔ)和媒介。目前我國居民住宅所使用的多是藍牙模式和Wi-Fi 模式的無線通信技術(shù)。首先從運行范圍上進行分析，藍牙的適用范圍較窄，僅限于叫短距離的無線通信，如果在使用中超出限定的范圍，則會自動斷開，從而限制操作電路主板的控制。與藍牙相比，Wi-Fi 的適用范圍相對較為廣泛，具有較大的信號傳輸強度。相對于藍牙，Wi-Fi 的信號也較為穩(wěn)定，目前應(yīng)用的較為普遍，一般在較遠距離的無線傳輸中較為適用。其次是靈活性，相對于藍牙的一對一或者是多對多，Wi-Fi 的控制較為簡便，屬于無線局域網(wǎng)，與藍牙的無線個域網(wǎng)不同，在連接的過程中不需要點對點的傳輸模式，Wi-Fi 是由多個端口同時實現(xiàn)傳輸。最后在傳輸速度方面，一般就目前適用的藍牙來說，傳輸速度最高為24Mbps，使用的是調(diào)頻擴譜，而Wi-Fi 最高的傳輸速度高達100Mbps，使用的是直序列擴頻和相移鍵控制，并且Wi-Fi 在傳輸?shù)倪^程中較為安全。但是在智能控制家居開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計使用中，Wi-Fi 的程序較為麻煩，需要不定時的連接不同的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)對智能家居電器的控制，但藍牙能夠很好的解決這一問題。鑒于此在本次設(shè)計中對Wi-Fi 和藍牙兩種不同方式的智能控制家居開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方案進行研究和探討，從而完成對家用電器開關(guān)進行開啟和關(guān)閉的操作。

2 單片機在智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在智能控制系統(tǒng)中單片機的出現(xiàn)降低了其設(shè)計難度，相對于其他設(shè)計，基于單片機的智能控制系統(tǒng)無論是在技術(shù)設(shè)計、成本控制還是在產(chǎn)品質(zhì)量和效率提升上都具有一定的優(yōu)勢，業(yè)為智能控制系統(tǒng)設(shè)計提供了新的思路和方向。目前單片機在智能家居和智能生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，為其發(fā)展提供了有效途徑。

2.1 智能燈光系統(tǒng)

在智能燈光系統(tǒng)中，單片機多是以路燈、信號燈以及廣告牌等較為常見，通過單片機的應(yīng)用實現(xiàn)了智能化的設(shè)計和控制，為方便使用和高效節(jié)能提供了有效的途徑。和傳統(tǒng)非單片機控制器相比，基于單片機進行智能燈光系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)⒏黝惖膫鞲衅饔行У慕Y(jié)合在一起，從而實現(xiàn)全智能化免操作的燈光控制系統(tǒng)。

以工作場所的走廊燈光系統(tǒng)為例，基于單片機在燈光系統(tǒng)設(shè)計的過程中可以將其于光敏電阻和熱釋電紅外傳感器進行結(jié)合，從而完成特定情況下光照度不足的燈光自主控制。在智能燈光系統(tǒng)具體設(shè)計的過程中，主要包含主模塊電路、傳感器電路，其中主模塊電路主要涵蓋電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路，光感電路和紅外傳感電路則是傳感器電路的主要組成，結(jié)合不同場所的不同需求，在燈光系統(tǒng)設(shè)計中還可以將振動監(jiān)測電路納入其中，能夠充分的滿足指定時間內(nèi)的多種控制相結(jié)合的硬件系統(tǒng)設(shè)計，通過對系統(tǒng)終端的處理以及數(shù)據(jù)的讀取處理真正的實現(xiàn)智能燈光一體化控制處理。由此可見，在智能燈光系統(tǒng)實際設(shè)計的過程中，單片機的應(yīng)用為更多嵌入式的應(yīng)用提供了更為高效的解決方案，實現(xiàn)了對燈光控制的不同需求。

2.2 智能安防系統(tǒng)

在現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的背景下，人們對物質(zhì)生活水平有了更高的追求和要求，不僅需要較為舒適的生活和工作環(huán)境，更為重要的是要構(gòu)建較為完善的安防系統(tǒng)和場所防范能力。因此在安防系統(tǒng)設(shè)計的過程中可以利用單片機技術(shù)將其與紅外監(jiān)控、煙霧監(jiān)控以及煤氣監(jiān)控有效的結(jié)合，通過多種傳感器的關(guān)聯(lián)，能夠在發(fā)生警情的第一時間實現(xiàn)信息的傳遞。

基于單片機的智能安防系統(tǒng)設(shè)計的過程中，單片機為主控部分，不借助任何外部存儲器，內(nèi)部存儲器就能夠滿足日常數(shù)據(jù)信息的儲存，比如說報警代碼、標志字段等等。數(shù)字語音電路通常是采用數(shù)字語音芯片，通過電路與信號的連接傳輸語音信號。在本系統(tǒng)設(shè)計中以單片機為核心，借助成熟的通信技術(shù)實現(xiàn)語音報警和自動檢測。

在日常生活和工作中都具有較為重要的應(yīng)用和推廣價值。圖1 是基于單片機的智能安防系統(tǒng)運行原理。

圖1：基于單片機的智能安防系統(tǒng)

2.3 智能倉儲系統(tǒng)

智能化倉儲系統(tǒng)的核心是智能貨架系統(tǒng)，而遠程無線標簽是智能貨架系統(tǒng)的重要組成部分。在智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計的過程中通過遠程無線標簽實現(xiàn)了在線采集，為后續(xù)軟件的應(yīng)用和統(tǒng)計提供了保障，實現(xiàn)了倉儲的無人化管理。在信息采集的過程中，無線標簽需要采集終端，并將信息在線傳輸給用戶，基于單片機進行數(shù)據(jù)終端采集器的設(shè)計不僅降低了成本，還在一定程度上簡化了運行的流程，提高了開發(fā)效率，為其應(yīng)用提供了根本保障。

在無線標簽終端采集系統(tǒng)設(shè)計的過程中，可以利用PIC16F877 單片機進行設(shè)計，因PIC16F877 單片機具備Flash 程序記憶功能，因此與初期的單片機存在較大的區(qū)別，能夠重復(fù)編程，內(nèi)部設(shè)置的ICD 功能還可以幫助用戶進行緩存和暫停，從而完成對程序的快速開發(fā)和調(diào)試。指令集與初期單片機也存在一定的不同，PIC16F877 的指令集較少，因此整體的結(jié)構(gòu)較為簡單，專業(yè)性更強，體積較小，成本較低，更加適合專機專用。

基于PIC16F877 單片機進行智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計的過程中可以選用Nrf24l01 無線模塊，Nrf24l01 是一種無線通信芯片，內(nèi)部集成自己的EnhancedShortBurst 協(xié)議，在實際運行的過程中具有較高的通信速度。除此之外該模塊能夠直接進行加工和生產(chǎn)，具有較強的抗干擾能力，軟件編程較為便捷，在工業(yè)性控制領(lǐng)域中具有較強的適用性。圖2 是基于PIC16F877 單片機的無線標簽數(shù)據(jù)讀取終端。

圖2：基于PIC16F877 的無線標簽數(shù)據(jù)讀取終端

2.4 減速控制系統(tǒng)

隨著國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)水平的提升，汽車已經(jīng)成為社會家庭不可或缺的交通工具，交通事故的發(fā)生率也因此越來越高，尤其是因超速導(dǎo)致的交通事故占據(jù)了較大的比例。為了限制汽車速度，減速帶因其具備的優(yōu)勢成為一種較為普遍的交通安全設(shè)置，被廣泛的普及和使用，但是由此產(chǎn)生的噪音、減速帶濫用等問題也隨之出現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)的研究顯示，基于單片機設(shè)計智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)囁龠M行評估和判斷，對超速超重的車輛的速度進行有效的控制，充分充分的發(fā)揮減速帶的功能，有效的減少交通事故的發(fā)生。

根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究顯示，有學(xué)者為了保護車輛的安全，減少慢性車輛零部件的損傷，設(shè)計了一種帶有減震軸的減速帶，通過減輕車輛的震動幅度對車輛起到一定的保護作用。在此基礎(chǔ)上，基于測試技術(shù)的智能減速帶和自適應(yīng)理論背景下的可升降減速帶也逐漸出現(xiàn)在人們的視線中。但是從整體上進行分析，可升降智能減速帶將車速調(diào)整和減速帶的高度進行結(jié)合，具有一定的適用性，但是未考慮到車輛的分類限速以及不同時段車輛的速度限制。基于單片機的自適應(yīng)智能減速帶控制系統(tǒng)將重量傳感器技術(shù)與車速傳感器技術(shù)相結(jié)合，增加了車重和車型的檢測部分，通過速度與重量等相關(guān)信息的采集合理的設(shè)計出速度控制方案，促使車輛行駛在安全范圍內(nèi)，最大程度上減少了交通事故的發(fā)生。由此可看出在車輛減速帶智能控制系統(tǒng)中，基于單片機進行設(shè)計和應(yīng)用具有較好的應(yīng)用成效。

3 基于單片機的Wi-Fi智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于單片機在智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計的過程中包含硬件和軟件兩個部分。在硬件設(shè)計部分將STC89C52 作為核心電路，其他的組成部分包含繼電器控制回路、電源回路以及ESP8266 Wi-Fi 模塊；在軟件設(shè)計中主要是以單片機的系統(tǒng)軟件和APP 設(shè)計為主。

STC89C52 單片機最小系統(tǒng)電路為核心，加入模塊、直流電源回路和繼電器回路。其工作原理為：通過USB 將外部220V 家用交流電源直接轉(zhuǎn)化為5V 直流電源輸出。通過手機WiFi 連接局域網(wǎng)，在APP 內(nèi)控制繼電器接點的開關(guān)。在實際運行的過程中主要是利用手機來發(fā)送命令。OA 表示繼電器接點全部打開，CA 表示繼電器接點全部閉合。利用APP 發(fā)送01-04 命令，則繼電器接點的1-4 打開，通過APP 發(fā)送C1-C4 命令，則繼電器接點的1-4 閉合，除此之外U1-U4 命令則表示接點的1-4 延遲打開等等。

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 電源電路設(shè)計

電源電路設(shè)計包含兩個環(huán)節(jié)，一是5V 輸入電源和監(jiān)視電路，二是5V 轉(zhuǎn)3V 的電源電路。STC89C52 單片機的電壓為3.3-5.5V，直流電流5V 為系統(tǒng)電路的總電源，利用接口將家用交流電源轉(zhuǎn)化為直流電壓輸出，之后接入DC 插座，5V 輸入電源電流中裝有紅色LED 燈，將其作為監(jiān)視指示燈，以此來檢測監(jiān)視電路中的電源情況。將LED 燈與電阻R2 連接，電阻值為1KΩ，以此來限制電阻，避免因電流較大對指示燈造成影響，確保指示燈顯示正常，完成對監(jiān)視電路的監(jiān)測。SW1 為雙刀雙擲自鎖開關(guān)，電路中有5V 直流輸出，在電路顯示正常的情況下，指示燈亮，再次按下SW1，電路中沒有5V 輸出，指示燈熄滅。

其次是5V 轉(zhuǎn)3.3V 的電源電路。系統(tǒng)中ESP8266 Wi-Fi 模塊需要3.3V 的電源，因此在電路設(shè)計中需要利用AMS1117-3.3 正向低壓降穩(wěn)壓器來穩(wěn)定電源的輸出，從而滿足該模塊的供電需求。AMS1117-3.3 正向低壓降穩(wěn)壓器的輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V，系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。此外電路中的電容屬于電解電容，在實際運行的過程中能夠起到濾波的作用，通過低頻分量的濾除促使電壓的輸出更加平穩(wěn)。

3.1.2 STC89C52 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計

STC89C52單片機的功耗較低、性能較高，屬于微控制器，具備課編程Flash 存儲器。STC89C52 單片機最小系統(tǒng)電路包含時鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路。其中時鐘電路由電容和晶振構(gòu)成，電容主要是對晶振起到起振的作用，復(fù)位電路包含電解電容、電阻和按鍵。

3.1.3 Wi-Fi 模塊電路設(shè)計

ESP8266 是一塊功耗較低的透傳模塊，在物聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備中的應(yīng)用較為普遍，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)之間的通信傳輸。目前市場中主要分為AP 模式、station 模式以及混合模式。以AP 模式為例，ESP8266 模塊的功能是實現(xiàn)手機或電腦的聯(lián)網(wǎng)，從而控制局域網(wǎng)，具體來說一旦系統(tǒng)接入電源，就能夠在移動設(shè)備上檢索到熱點，進而在手機上完成對繼電器開關(guān)的控制。

3.1.4 繼電器控制電路設(shè)計

繼電器是自動化控制電路中較為常見的設(shè)備，具備控制和被控制的功能，即擁有輸出電路和輸入電路。繼電器控制電路的基本原理是利用小電流控制大電流，從而實現(xiàn)自動開關(guān)。其流程是首先利用三極管驅(qū)動繼電器，其次控制單片機的控制引腳，如果為低電平，則三極管保持導(dǎo)通的狀態(tài)，線圈的兩端由電壓，電流則從線圈中間流過，進而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，導(dǎo)致1-3 接點閉合，LED 燈亮；反之，如果單片機的控制引腳為高電平，則三極管處在截止的狀態(tài)，繼電器的線圈無電流通過，電磁吸力也隨之消失，從而導(dǎo)致1-3 接點打開，LED 燈滅。

在繼電器控制電路實際運用的過程中，需要控制的交直流負載經(jīng)過繼電器接線端子接入。LED 燈主要是用來檢測三極管是否導(dǎo)通，電阻起到限流的作用，其目的是為了對LED 和三極管起到一定的保護作用。

3.2 軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計的過程中主要包含硬件和軟件系統(tǒng)兩個部分的設(shè)計。在控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中要想充分發(fā)揮其作用和功能，就要編寫能夠支持硬件平臺的軟件程序，即將編譯好的程序形成文件，并將程序?qū)戇M單片機的芯片當中，這個過程又可以稱之為燒寫。

在該系統(tǒng)設(shè)計的過程中因涉及到的程序較為復(fù)雜，計算量較大，因此采用C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，通過C 語言進行編寫。

整個燒寫模塊實現(xiàn)過程如下：首先連接好單片機的開發(fā)板、下載器以及PC，之后再STC-ISP 單片機下載編程燒錄軟件中選擇合適的單片機型號和串口號，病將特波率設(shè)置好合適的參數(shù)，下載單片機程度，將已經(jīng)編好的源程序通過串口燒寫模塊將其燒寫到單片機的芯片當中。具體如表1 所示。

表1：模塊與單片機的接線對應(yīng)表

4 基于單片機的藍牙智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計

4.1.1 單片機系統(tǒng)電路

在藍牙智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計的過程中，選用51單片機，因在電子設(shè)計中的應(yīng)用較為普遍，具有較好的穩(wěn)定性，兼容性較好。

4.1.2 驅(qū)動電路

在智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)中驅(qū)動電路是較為重要的組成部分，主要是解析藍牙指令所發(fā)出的命令進而對智能家居的開關(guān)進行控制。因此在智能家居開關(guān)控制系統(tǒng)中，需要對驅(qū)動機制進行選擇。目前市場上主要有三種驅(qū)動機制，第一種是三極管，能夠放大電流和功率，可以作為無觸點開關(guān)，靈敏度較大，其傳輸速度高達100KHz。第二種是電磁繼電器，主要是利用小電流控制大電流的一種自動開關(guān)，在實際應(yīng)用中電磁繼電器具備自動調(diào)節(jié)、安全保護以及轉(zhuǎn)換電路等等功能。第三種是雙向可控硅，目前該驅(qū)動機制在交流無觸點開關(guān)使用中較為廣泛，其驅(qū)動能力較大，性能較好，但是也存在一定的弊端，即較為容易擊穿，因此需要使用雙向可控硅來承受反向電壓。

目前三種驅(qū)動機制皆是利用小電壓控制大電壓，三極管一般適用于直流開關(guān)中，雙向可控硅盡管驅(qū)動能力較大，還可以實現(xiàn)反向?qū)?，但是也較為容易擊穿，因此在本次設(shè)計中以電磁繼電器作為驅(qū)動機制。電磁繼電器主要是利用弱電控制強電，在單片機實際運行的過程中通過對繼電器斷開和吸合的控制對外接家用電器的通斷進行控制。

4.2 軟件設(shè)計

單片機和手機是通過藍牙模塊進行信號的交換，因此在軟件設(shè)計 的過程中需要對單片機的程序和軟件程序進行編寫，通過單片機、藍牙模塊和繼電器來組成系統(tǒng)控制體系。啟動手機控制平臺并開展初始化操作，啟動家電終端藍牙模塊，LED 燈位紅色，手機藍牙和智能家電完成藍牙的匹配和對接，指示燈由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色。通過手機智能控制平臺發(fā)送開的指令，家電終端的藍牙模塊在接收到指令之后，對指令進行解析，從而通過串行通信將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機在獲悉到數(shù)據(jù)之后，產(chǎn)生相關(guān)的電平信號，進而對繼電器進行控制，促使智能家居正常的通電工作。

5 總結(jié)

綜上所述，在本次設(shè)計中，基于單片機設(shè)計了Wi-Fi/藍牙智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對智能家居的遠程控制。在信息化時代背景下，智能化設(shè)備在人們的日常生活和工作中得到了較為廣泛的普及和應(yīng)用，也實現(xiàn)了高效率的住宅設(shè)施與日航所示的管理系統(tǒng)，在一定程度上提升了居民日常生活的便利性、安全性和舒適性，同時也為居民提供了環(huán)保節(jié)能的生活環(huán)境，在改變生態(tài)環(huán)境的同時促使了人們生活效率的提升。鑒于此在之后要加強對智能控制家電開關(guān)系統(tǒng)的深入研究和分析，最大程度上促進設(shè)計方案的優(yōu)化，避免硬件和軟件設(shè)計的過程中出現(xiàn)問題，在不改變?nèi)魏渭译姷那闆r下，完成對家用電器、燈光、電源以及家庭環(huán)境的控制，利用現(xiàn)有的高科技技術(shù)來享受現(xiàn)代化的生活，提升人們的生活品質(zhì)和質(zhì)量。